KI-Lösungen · Use Case

Leichtere Bauteile durch generatives Design

KI-Algorithmen erzeugen Tausende von Designvarianten für Bauteile, die Gewicht, Material und Kosten optimieren und gleichzeitig die strukturelle Integrität sicherstellen.

Generatives Design ermöglicht Ihrem Unternehmen, Bauteile mit 10 bis 50 Prozent weniger Gewicht bei gleichzeitig verbesserter struktureller Integrität herzustellen. Tausende Designvarianten werden parallel ausgewertet, um optimale Lösungen für Gewicht, Materialkosten und Fertigungseffizienz zu finden. Das beschleunigt Entwicklungszyklen um 30 bis 50 Prozent und senkt Herstellungskosten nachhaltig.

Worum es geht

Dieser Anwendungsfall beschreibt den Einsatz von KI im Designprozess, um hochoptimierte, oft organisch wirkende Bauteile zu entwerfen. Ingenieure und Designer geben Ziele und Randbedingungen wie Material, Fertigungsverfahren und Belastungen in eine CAD-Software mit generativem Design ein. Die KI erkundet daraufhin selbstständig den Lösungsraum und erzeugt Hunderte bis Tausende gültige, fertigbare Entwürfe. Bekannte Beispiele aus der Autoindustrie sind Halterungen, die durch generatives Design deutlich leichter und zugleich stabiler wurden und aus einem statt mehreren Bauteilen bestehen. Dieser Ansatz verändert die Produktentwicklung grundlegend und ermöglicht Formen, die menschliche Designer allein kaum entwerfen könnten.

Einordnung

  • Reifegrad: Growing
  • Komplexität: Mittel
  • Technologie: Generative AI, Cloud Computing, 3D-CAD

Passende Branchen

  • Automobilindustrie
  • Bauwirtschaft
  • Maschinenbau & Anlagenbau
  • Möbelherstellung

Typische Einsatzmuster

  • Ein Automobilhersteller nutzt generatives Design, um ein Fahrwerksteil wie einen Federbeinanschluss zu optimieren und dabei Gewicht und Materialkosten bei gleichbleibender Belastbarkeit zu reduzieren.
  • Ein Architekturbüro setzt generative Design-Algorithmen ein, um Tragwerksstrukturen für Gebäude zu optimieren und dabei Materialeinsatz sowie Kosten bei geforderter Stabilität zu minimieren.
  • Ein Maschinenbauunternehmen verwendet generatives Design, um Getriebegehäuse oder Halterungen zu überarbeiten und mehrere vormals separate Komponenten zu einem einzigen, leichteren Bauteil zu fusionieren.

Voraussetzungen

  • Die Integration von cloudbasiertem generativem Design in bestehende CAD-Systeme ist eine grundlegende technische Voraussetzung. Hochwertige Daten zu Materialeigenschaften, Fertigungsrestriktionen und Lastfällen müssen aufbereitet und zugänglich sein. Konstrukteure und Ingenieure brauchen Schulungen im Umgang mit generativen Design-Werkzeugen und ein Verständnis der neuen Arbeitsteilung zwischen KI-Erzeugung und menschlicher Bewertung.

Nutzen

Für Unternehmen

  • Beschleunigung des Produktentwicklungsprozesses
  • Reduzierung von Materialverbrauch und Herstellungskosten
  • Ermöglichung von Bauteilkonsolidierung (weniger Teile)
  • Steigerung der Produktleistung (z.B. Stabilität, Gewicht)

Für Beschäftigte

  • Verlagerung des Fokus von repetitiver Konstruktion zu kreativer Problemlösung
  • Schnelles Erkunden von hunderten Designalternativen
  • Erweiterung der kreativen Möglichkeiten durch KI-Partnerschaft
  • Demokratisierung von komplexen Simulationen und Optimierungen

Für Privatpersonen

  • Zugang zu leichteren und effizienteren Produkten
  • Potenziell niedrigere Preise durch optimierte Fertigung
  • Neue Design-Ästhetiken und innovative Produktformen
  • Verbesserte Produktleistung und Haltbarkeit

Herausforderungen

Für Unternehmen

  • Erfordert ein Umdenken in traditionellen Design- und Fertigungsprozessen
  • Hohe Anforderungen an die Rechenleistung (oft Cloud-basiert)
  • Integration in bestehende CAD- und PLM-Workflows
  • Die besten Ergebnisse werden oft in Kombination mit additiver Fertigung (3D-Druck) erzielt

Für Beschäftigte

  • Die Kunst, die richtigen Ziele und Randbedingungen für die KI zu definieren
  • Vertrauen in die oft unkonventionellen Ergebnisse der KI aufbauen
  • Notwendigkeit, neue Software und Arbeitsweisen zu erlernen
  • Interpretation und Auswahl aus einer großen Anzahl von Designoptionen

Für Privatpersonen

  • Akzeptanz für unkonventionelle, organische Designs
  • Sicherstellung der Langzeit-Haltbarkeit von neuartigen Strukturen
  • Mangelnde Transparenz über den Einsatz von KI im Designprozess

Wirkung

Klassische regelbasierte Software mit If-Then-Logik kann keine Myriaden von Designoptionen durchsuchen und keine komplexen, organischen Formen erzeugen, die leichter und stabiler sind. Sie erfordert manuelle Iterationen und testet nicht simultan mehrere Parameter wie Gewicht, Kosten und strukturelle Integrität, was zu längeren Entwicklungszyklen und suboptimalen Lösungen führt. Generatives Design nutzt KI-Algorithmen für die automatisierte Erkundung von Millionen von Varianten, die herkömmliche Methoden weder zeitlich noch kognitiv bewältigen können.

Für Unternehmen

Auto- und Flugzeughersteller erzielen mit generativem Design bereits Wettbewerbsvorteile durch erhebliche Gewichtsreduktion bei zugleich besseren strukturellen Eigenschaften ihrer Bauteile. Wettbewerber ohne generatives Design brauchen länger für die Entwicklung und produzieren womöglich schwerere, teurere Bauteile.

Unternehmen senken ihre Herstellungskosten um 6 bis 20 Prozent durch effizienteren Materialeinsatz und die Integration ehemals separater Komponenten. Entwicklungszeitverkürzungen von 30 bis 50 Prozent beschleunigen die Time-to-Market erheblich, was in wettbewerbsintensiven Branchen like der Automobilindustrie entscheidend ist. Konkrete ROI-Zahlen variieren stark nach Branche und Anwendungsumfang.

Der Konstruktionsprozess verschiebt sich fundamental: Ingenieure definieren statt tausender einzelner CAD-Iterationen nun Parameter und Randbedingungen, während die KI hunderte oder tausende Designvarianten automatisch erkundet. Das ermöglicht eine parallele statt sequenzielle Entwicklung, verkürzt Feedback-Schleifen und reduziert manuelle Arbeitsstunden in der Entwurfsphase deutlich.

Für Beschäftigte

Der Arbeitsalltag von Konstrukteuren und Ingenieuren verlagert sich weg von monotonen CAD-Iterationen hin zur kreativen Bewertung und Auswahl aus KI-generierten Designalternativen. Repetitive Aufgaben wie das manuelle Durchtesten von hundert Entwürfen gehören der Vergangenheit an, während neue Aufgaben wie das Formulieren von Designzielen und Fertigungsrestriktionen hinzukommen.

Die Rolle des Ingenieurs entwickelt sich von der manuellen Erstellung von Bauteilen hin zur strategischen Auswahl und Optimierung von KI-generierten Lösungen. Dies ist keine Bedrohung, sondern eine Aufwertung: Langweilige Iterationsarbeit wird durch anspruchsvollere Bewertungs- und Entscheidungsaufgaben ersetzt, was die Ingenieurskunst wieder stärker in den Vordergrund rückt.

Konstrukteure müssen lernen, mit generativen Design-Tools zu arbeiten und deren Ergebnisse kritisch zu bewerten, anstatt Entwürfe selbst zu modellieren. Das erfordert ein tieferes Verständnis von Fertigungsprozessen, Materialeigenschaften und struktureller Analyse sowie die Fähigkeit, Designziele präzise als Parameter zu formulieren.

Für Privatpersonen

Endkunden profitieren von Produkten, die leichter, stabiler und potenziell günstiger sind als konventionell gefertigte Alternativen. Im Automobilbereich bedeutet dies sparsamere Fahrzeuge mit besserem Fahrverhalten, in der Luftfahrt erhöhte Effizienz und reduzierte Emissionen, ohne dass Verbraucher die zugrundeliegende KI-Technologie kennen oder verstehen müssen.

Leichtere und effizientere Produkte tragen durch reduzierten Materialverbrauch und niedrigere Produktionskosten zu einer nachhaltigeren Wirtschaft bei, was langfristig auch Verbraucherpreise senken kann. Gesellschaftlich ermöglicht generatives Design innovativere Produktdesigns, die ohne KI-Unterstützung nicht wirtschaftlich realisierbar wären.

Auswirkungen – eingeordnet und belegt

Arbeit (Belegt)

Maschinenbauingenieure und Maschinenbautechniker nutzen generative Designsysteme, um technische Systeme und Anlagen zu planen und zu konstruieren. Ein dokumentierter Fall im Flugzeugbau belegt, dass Konstruktionsteams die Software einsetzen, um Entwurfsvarianten hinsichtlich Festigkeit und Bauteilmasse automatisiert auszuwerten. Wie sich die Technologie auf die Arbeitszeit oder die Beschäftigtenzahl auswirkt, ist in den Quellen jedoch nicht quantifiziert.

  • autodesk.com 2019-11-19
    „Generative design is enabling the team t o evaluate hundreds of design alternatives that all me e t objectives for VTP stiffness, stability and mass .“

Gestützt auf einen dokumentierten Praxisfall.

Wirtschaft (Belegt)

In einem dokumentierten Fallbeispiel wird beschrieben, dass algorithmische Entwürfe angepasst wurden, um Bauteile zu geringeren Fertigungskosten herzustellen. Übergreifende Studien zu wirtschaftlichen Erlösen, Rentabilität oder Amortisationszeiten fehlen in den Quellen jedoch vollständig. Ob sich hieraus ein messbarer Wettbewerbsvorteil gegenüber konventionellen Konstruktionsmethoden ergibt, bleibt daher unbelegt.

  • autodesk.com 2019-11-19
    „The process and technology have evolved to where we can now manufacture multiple units at a considerably lower cost.“

Gestützt auf einen dokumentierten Praxisfall.

Gesellschaft & Alltag (Belegt)

In der Medizintechnik kann der Einsatz von generativem Design Patienten durch individuell angepasste Implantate direkt zugutekommen, beispielsweise bei gelenkerhaltenden Knieoperationen. Wissenschaftliche Untersuchungen belegen dabei die herstellungstechnische Machbarkeit solcher patientenspezifischen Bauteile. Breitere gesellschaftliche Auswirkungen auf den Alltag von Privatpersonen, den Datenschutz oder die gesellschaftliche Teilhabe sind für das Muster hingegen nicht dokumentiert.

Umwelt (Belegt)

Die Gewichtsreduktion von Bauteilen zielt im Transportsektor darauf ab, den Treibstoffverbrauch im Betrieb zu verringern. Ein dokumentierter Fall verweist auf die Minderung von Umweltbelastungen, stützt sich dabei jedoch ausschließlich auf herstellereigene Modellrechnungen. Vollständige Ökobilanzen, die auch den Rechenaufwand der Algorithmen und energieintensive additive Fertigungsverfahren berücksichtigen, sind nicht dokumentiert.

  • autodesk.com 2019-11-19
    „In an industry where less weight equals less fuel consumption, using this approach presents a huge opportunity to reduce the adverse effects of air travel on the environment.“

Gestützt auf einen dokumentierten Praxisfall.

Risiken & Regulierung (Belegt)

Strukturelle Berechnungsfehler im generativen Entwurf können erhebliche Sicherheitsrisiken für physische Bauteile verursachen, weshalb strenge Prüf- und Zertifizierungsverfahren erforderlich bleiben. Nach der Verordnung (EU) 2024/1689 wird die Software voraussichtlich als Hochrisiko-System nach Artikel 6 Absatz 1 eingestuft, sofern sie als Sicherheitsbauteil eines regulierten Produkts dient und einer Konformitätsbewertung durch Dritte unterliegt. Andernfalls fällt die Anwendung voraussichtlich nicht unter Anhang III, bedingt aber Anforderungen an die KI-Kompetenz des Personals nach Artikel 4.

  • Verordnung (EU) 2024/1689 Amtsblatt der Europäischen Union · 2024-07-12
    „das KI-System soll als Sicherheitsbauteil eines unter die in Anhang I aufgeführten Harmonisierungsrechtsvorschriften der Union fallenden Produkts verwendet werden“

Gestützt auf einen dokumentierten Praxisfall.

Belegt: eine abgerufene Quelle oder ein freigegebener Praxisfall trägt die Aussage. Eingeordnet: redaktionelle Einschätzung. Offen: dazu ist nichts dokumentiert. Keine Rechtsberatung.

Quellen

Fachlich zugeordnete Tätigkeiten

Die Lösung passt zur Tätigkeit in einem fachlichen Kontext, aber nicht automatisch zu jedem Beruf mit dieser Tätigkeit.

Für diese Berufe ist die KI-Lösung relevant

Die fachliche Passung wurde KI-gestützt anhand der Anwendung und der beruflichen Aufgaben geprüft. Daraus folgt keine gemessene KI-Wirkung auf den gesamten Beruf.

  • Architekten: Architekten entwerfen Gebäude und Bauwerkstrukturen und nutzen zunehmend CAD-gestütztes generatives Design, um ressourceneffiziente, statisch tragfähige und ästhetisch optimierte Konstruktionen zu entwickeln.
  • Maschinenbauingenieure: Maschinenbauingenieure (ISCO 2144) konstruieren Bauteile, Fahrzeuge, Maschinen und Anlagen mittels CAD. Generatives Design zur Gewichts- und Materialoptimierung von Bauteilen ist ein unmittelbares Kernwerkzeug ihrer konstruktiven Ingenieurstätigkeit.
  • Maschinenbautechniker: Maschinenbautechniker entwerfen Layouts und mechanische Bauteile gemäß Spezifikationen und unterstützen die Konstruktion und Entwicklung; CAD-Software mit generativem Design unterstützt sie unmittelbar bei der Bauteiloptimierung.
  • Bauingenieure: Bauingenieure (insbesondere Tragwerksplaner) berechnen, dimensionieren und optimieren Tragwerke und Bauteile unter Berücksichtigung von Lasten, Materialeinsatz und Stabilität; generatives Design unterstützt diesen Entwurfs- und Optimierungsprozess direkt.
  • Produkt- und Textildesigner: Produkt- und Industriedesigner entwerfen Bauteile und Konsumgüter und bringen funktionale, fertigungstechnische und ästhetische Kriterien in Einklang; generatives Design erzeugt dafür optimierte Bauteilvarianten.